JPH11101630A - 超音波による異種物質境界の位置測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】媒質中を伝播する超音波において、異種物質境
界からの反射波の伝播に要した時間と、媒質の劣化度に
応じて補正した超音波音速から、異種物質境界までの距
離を測定する境界位置測定方法を提供することにある。 【解決手段】超音波センサ１により受信された反射波伝
播時間測定部６から、表面改質層４ａの縦波、横波超音
波の伝播時間を取得する。補正データ収録部８ａの劣化
度と音速比の相関関係を基に音速補正装置７で劣化度に
応じて補正した音速を算出する。補正された音速と伝播
時間から境界位置を算出する境界位置算出装置９で境界
位置を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料の予防保全検
査技術に係り、介在異種物質の位置測定の非破壊診断技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】母材と、表面処理層や肉盛り層，コーテ
ィング層，酸化層の境界，欠陥や亀裂などに代表され
る、母材と表面層境界や母材中の欠陥は異種物質となる
ため超音波を反射する。超音波の入射時から反射波が受
信されるまでの伝播時間と、表面層もしくは母材中の音
速の積から表面層の厚みや欠陥までの距離を算出でき
る。従来技術としては、超音波試験技術−理論と実際−
社団法人日本能率協会発行Ｐ４８２に記載の探傷試験が
一例として挙げられる。

【０００３】その他の従来技術として、鋳造片の未凝固
層の厚さを縦波音速の関数として求める際に、音速比と
縦波音速との関係から音速補正を行って未凝固層の厚さ
を精度良く測定する方法が特開昭54−115636号公報に掲
載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】実機材を超音波探傷す
る際には、実機材が使用環境，施工条件に伴う劣化の影
響を受けているから、その劣化の影響、即ち、実機材で
の使用環境，金属組織や熱履歴などの材料物性の個体ご
との差異、が超音波による位置測定結果の誤差要因とな
る。

【０００５】このように劣化した材料に対して超音波探
傷する際に、従来技術では劣化度に応じた超音波の音速
変化を補正しておらず、超音波による位置測定結果の誤
差を生じやすかった。

【０００６】本発明の目的は、使用や施工による劣化を
考慮し、劣化度に応じた音速変化を補正することで、高
精度に異種物質の位置を測定する異種物質位置測定方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、媒質における縦波及び横波超音波の音
速比が劣化度と相関関係があることを利用し、音速比か
ら劣化に応じた音速を算出し、その音速を用いて正確な
位置を算出して位置測定誤差を低減するようにしたもの
である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。

【０００９】図１は本発明を適用した境界位置測定方法
の第１の実施例を示す。

【００１０】本方法は被検体２に施工された表面改質層
４ａ側に設置した超音波を送信及び受信する超音波セン
サ１と超音波センサ１を駆動する超音波送受信部５がつ
ながれており、受信された反射波が伝播に要した時間を
算出する伝播時間測定部６，劣化度を補正した音速を算
出する音速補正装置７，劣化度と音速比等の相関関係デ
ータが収録された補正データ収録部８ａ，補正音速と伝
播時間から境界位置を算出する境界位置算出装置９によ
り構成される。超音波センサ１は縦波及び横波の駆動を
行うことができるが、２個のセンサに分離させてもよ
い。

【００１１】一般的な反射波形及び境界位置測定法の一
例を図５に示す。

【００１２】図５において、送信波パルスは超音波セン
サ１を駆動する信号で、ここでは、送信波パルスの立ち
上がり部から反射波３のピークまでの時間を伝播時間と
し、表面改質層４ａの厚みに相当する境界位置Ｌを１往
復するのに要した時間を示す。

【００１３】境界位置Ｌは、 Ｌ＝Ｖ×ｔ×１／２ …式１ で表すことができる。ここで、Ｖは健全時超音波音速、
ｔは反射波伝播時間を示す。

【００１４】本発明では図６及び数２式に示す様に健全
時の音速Ｖでは薄めに評価され、発生する誤差を劣化度
に応じて補正した音速Ｖｒを用いることで低減できる。

【００１５】 Ｌｒ＝Ｖｒ×ｔ×１／２ …式２ ここで、Ｖｒは劣化補正超音波音速、Ｌｒは補正された
境界位置を示す。

【００１６】劣化度の補正は図７に示す縦波と横波の音
速比で行うことができる。

【００１７】入熱量や溶接時間、中性子照射量等の劣化
因子に伴って音速比が変化することから、劣化因子毎あ
るいは単独因子と音速比の相関曲線を予め測定しておけ
ば、実機材等の劣化度が不明な材料に対し、音速比から
劣化度が把握できる。

【００１８】また、図８に示す様に横波超音波は健全時
と劣化時では偏向角度と組織方位の関係が変化すること
から、偏向角度と音速の角度依存性や０〜１８０°ある
いは０〜３６０°の偏向角度に変化させたときの横波音
速の平均値を用いることができる。

【００１９】図７及び図８の関係を用いると音速比は劣
化度を表していることになり、図９の音速比と縦波音速
あるいは図１０の音速比と横波音速の関係から、音速補
正装置７により劣化度に応じて補正した音速を算出す
る。

【００２０】劣化度に応じて補正した縦波音速または横
波音速を用い、伝播時間との積から境界位置算出装置９
により境界位置を算出する。

【００２１】また、超音波センサ１の送信及び受信は境
界位置からの反射効率を勘案すると垂直に送受信するこ
とが望ましい。

【００２２】また、検査対象となる部位のスペースに限
りが有る場合はなるべく送受信の効率を向上させること
が必要である。

【００２３】図１１及び図１２に送受信分割型の垂直セ
ンサを示す。限られたスペースにおいて、広い範囲をカ
バーすることが必要で櫛形に組み合わせたり、同心円状
に配置するのが好適である。

【００２４】図２は本発明を適用した境界位置測定方法
の第２の実施例を示す。

【００２５】本方法は被検体２に超音波を送信及び欠陥
４ｂからの反射波を受信する超音波センサ１と超音波セ
ンサ１を駆動する超音波送受信部５がつながれており、
受信された反射波が伝播に要した時間を算出する伝播時
間測定部６，劣化度を補正した音速を算出する音速補正
装置７，劣化度と音速比等の相関関係データが収録され
た補正データ収録部８ａ，補正音速と伝播時間から欠陥
位置までの距離を算出する境界位置算出装置９により構
成される。

【００２６】表面改質層と同様に欠陥４ｂからの反射波
３により伝播時間が測定され、音速補正を行うことで、
欠陥までの距離が欠陥位置算出装置１０で正確に測定で
きる。

【００２７】図３は本発明を適用した境界位置測定方法
の第３の実施例を示す。

【００２８】本実施例は図２に示す第２の実施例におい
て、超音波を斜角に入射した場合で欠陥４ｂからの反射
波を受信する場合の一例である。

【００２９】この時、入射角補正部８ｂにより、超音波
が伝播する経路長を補正することができる。

【００３０】構成は図１と同じであるので説明を省略す
る。欠陥からの反射波３により伝播時間が測定され、音
速補正を行うことで、欠陥までの距離が欠陥位置算出装
置１０で正確に測定できる。

【００３１】図４は本発明を適用した境界位置測定方法
の第４の実施例を示す。

【００３２】本実施例は走査装置１１ａ及び走査機構１
１ｂにより超音波センサ１を紙面において左右に走査す
ることにより表面改質層４ａの境界位置の分布状況を境
界位置分布測定装置１２により測定することができる。
境界位置分布測定装置１２は走査装置１１ａから出力さ
れる座標信号と境界位置算出装置９の結果をもとに、測
定対象領域内の２次元分布等が表示，出力できる。

【００３３】また、図１３に走査機構１１ｂの一例とし
て走査クローラ１３を用いた方法を示す。

【００３４】図１３において、走査クローラ１３の進行
方向Ｘに対し、搭載した超音波センサ１を垂直方向Ｙに
走査することで、Ｘ−Ｙ座標位置における境界の２次元
分布が表示，出力できる。

【００３５】境界位置の算出の適用例を図１４に示す。

【００３６】図１４は原子力プラントにおける原子炉内
計測モニタの支持台座の交換工程を示したものである。
ステップ１で開始、ステップ２，３でモニタ及び既設台
座の除去を行う。

【００３７】この時、台座が設置してあった部位には表
面に肉盛り層が施工してあり、溶接性，耐食性の観点か
ら一定以上の厚さを確保する必要がある。

【００３８】ステップ４で本発明を適用し、境界層厚さ
を測定する。厚さが不十分な場合は再肉盛り等の加工を
行い、再度境界位置測定を実施する。

【００３９】十分な厚さが確保された場合はステップ５
で新規台座の設置を行う。

【００４０】ステップ６では欠陥検査を行い、欠陥有り
の場合には本発明による欠陥位置測定を実施する。

【００４１】位置を把握後その部分の補修し、再度欠陥
検査を実施する。

【００４２】欠陥なしの場合は台座の成型加工を行い、
再度ステップ８において欠陥検査を行う。

【００４３】図１４に示す様に、一連の工程において、
境界層厚さや欠陥位置の算出を行うことが可能で、非破
壊であるため、必要に応じた回数が適用できる。

【００４４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、媒質の劣化度
に応じて音速を補正することで境界部厚さや欠陥までの
距離を正確に測定することができる。

【００４５】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、媒質の組織方位の影響を補正して
正しい音速比で媒質の劣化度に応じて音速を補正し、媒
質の組織方位の影響による測定精度の低下を抑制するこ
とができる。

【００４６】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、媒質が多結晶体で組織方位が複雑
であっても、その組織方位の影響を補正して正しい音速
比で媒質の劣化度に応じて音速を補正し、媒質の複雑な
組織方位の影響による測定精度の低下を抑制することが
できる。

【００４７】請求項４の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、境界位置を分布として認識できる
から、その境界の形状や大きさが把握しやすくなると言
う効果が得られる。

【００４８】請求項５の発明によれば、媒質の劣化度に
応じて音速を補正することで境界部厚さや欠陥までの距
離を正確に測定することができる超音波による異種物質
境界の位置測定装置が提供できる。

【００４９】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
による効果に加えて、超音波センサを走査する装置で超
音波センサーを走査し、境界位置を種々の位置で測定
し、分布状況を測定することができるので、その分布か
ら境界の形状や大きさを認識できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した境界位置測定方法の第１の実
施例を示す図。

【図２】本発明を適用した境界位置測定方法の第２の実
施例を示す図。

【図３】本発明を適用した境界位置測定方法の第３の実
施例を示す図。

【図４】本発明を適用した境界位置測定方法の第３の実
施例を示す図。

【図５】従来技術の一例を示す図。

【図６】音速の補正による境界位置の算出方法の一例を
示す図。

【図７】劣化度と超音波音速比の相関関係を模式的に示
す図。

【図８】横波超音波の偏向方向と組織の関係を示す図。

【図９】音速比と補正縦波音速の関係を示す図。

【図１０】音速比と補正横波音速の関係を示す図。

【図１１】超音波センサの一例を示す図。

【図１２】超音波センサの一例を示す図。

【図１３】走査機構の一例を示す図。

【図１４】本発明を適用した原子炉内計測モニタ補修作
業工程の一例を示す図。

【符号の説明】

１…超音波センサ、２…被検体、３…反射波、４ａ…表
面改質層、４ｂ…欠陥、５…超音波送受信部、６…伝播
時間測定部、７…音速補正装置、８ａ…補正データ収録
部、８ｂ…入射角補正部、９…境界位置算出装置、１０
…欠陥位置算出装置、１１ａ…走査装置、１１ｂ…走査
機構、１２…境界位置分布測定装置、１３…走査クロー
ラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永島 良昭 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 高橋 文信 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 佐々木 典 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 野村 敬一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 菊地 敏一 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 日立ニ ュークリアエンジニアリング株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】媒質中を伝播する超音波が異種物質境界か
   ら反射する時、反射波の伝播時間と媒質中の音速を用い
   て異種物質境界までの距離を測定する方法において、縦
   波，横波超音波の音速比を求め、予め格納した媒質の劣
   化度と超音波音速比の相関関係から、媒質の劣化度に応
   じて補正した超音波音速を用い、異種物質境界までの距
   離を測定することを特徴とする超音波による異種物質境
   界の位置測定方法。
2. 【請求項２】請求項１において、縦波超音波と媒質中に
   伝播させる偏向方向を変化させて求めた横波超音波の音
   速比を求め、予め格納した媒質の劣化度と超音波音速比
   の相関関係から、媒質の超音波音速を補正することを特
   徴とする超音波による異種物質境界の位置測定方法。
3. 【請求項３】請求項１において、横波超音波音速は偏向
   角度を変化させて求め、測定した角度範囲における横波
   音速の平均値、あるいは横波音速の角度依存性を用いる
   ことを特徴とする超音波による異種物質境界の位置測定
   方法。
4. 【請求項４】請求項１において、境界位置を種々の位置
   で測定し、分布状況を測定することを特徴とする境界位
   置測定方法。
5. 【請求項５】媒質中を伝播する超音波が異種物質境界か
   ら反射する時、反射波の伝播時間と媒質中の音速を用い
   て異種物質境界までの距離を算出する装置において、超
   音波を送受信する超音波センサ，超音波センサを駆動す
   る超音波送受信部，媒質を伝播した超音波の伝播時間測
   定部及び、予め格納した劣化度と超音波音速の関係から
   音速を補正する装置，補正音速を用いて境界位置を算出
   する装置を備えた超音波による異種物質境界の位置測定
   装置。
6. 【請求項６】請求項５において、超音波センサを走査す
   る装置を備えた超音波による異種物質境界の位置測定装
   置。